발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 금속 전극 기반 뇌피질전도 인터페이스: 뇌 조직에 비해 기계적 물성이 너무 높아 부적합하며, 생체 전위 계측 효율이 낮습니다.

• MRI 호환성 문제: 금속 물질의 강자성 공명으로 인해 자기공명영상(MRI) 촬영 시 이미지 왜곡(인공물)이 발생하여 호환이 불가능합니다.

• 하이드로젤의 한계: 높은 수분 함량으로 인한 탈수 현상과 높은 표면 에너지 때문에 정밀한 3차원 구조의 소자 공정이 어렵습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 한계를 극복하고 파킨슨병, 뇌전증과 같은 신경 퇴행성 뇌 질환을 혁신적으로 모니터링하고 치료할 새로운 방식의 뇌신경 인터페이스가 필요합니다.

• 이에 따라, 높은 생체적합성과 생분해성을 가지면서도, 필요할 때 즉석에서 주사 형태로 주입하여 전극을 제작할 수 있는 새로운 소재 기술이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 천연 고분자와 티라민을 중합한 중합체와 유연한 전도성 고분자를 결합하여 주사주입형 전도성 하이드로젤을 제작합니다. 이를 통해 기존 기술의 문제점을 해결하고 새로운 뇌피질전도 인터페이스를 구현합니다.

• 핵심 중합체 (HATYR): 생체 내에 풍부한 천연 고분자인 히알루론산(Hyaluronic Acid)과 발효식품에 함유된 티라민(Tyramine)을 중합하여 합성물인 'HATYR'을 제작합니다. 이는 높은 생체적합성과 생분해성의 기반이 됩니다.

• 전도성 부여: 전기 전도도와 유연성이 뛰어난 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 HATYR과 혼합하여 전기적 특성을 확보합니다. 이를 통해 낮은 생체 전위도 효율적으로 감지할 수 있습니다.

• 첨가제를 통한 기능 조절: 필요에 따라 글리세롤을 첨가하여 전도성을 높이고 생분해성을 조절할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. HATYR 합성: pH 4.7로 맞춘 히알루론산(HA) 용액에 EDC, NHS, 티라민을 혼합하고 질소 환경에서 교반하여 중합체를 형성합니다.

2. 정제: 마이크로 투석막을 사용하여 2일간 투석하여 미반응 분자를 제거합니다.

3. HATYR 획득: 정제된 용액을 동결건조하여 고체 형태의 HATYR을 얻습니다. (히알루론산 고분자 사슬에 약 7~8%의 티라민이 중합)

4. 전도성 하이드로젤 제작: 제작된 HATYR과 PEDOT:PSS를 목표 농도(예: 0.5wt%)로 혼합하고, 글리세롤을 첨가하여 최종적으로 주사주입형 전도성 하이드로젤을 완성합니다.

기술의 장점

• 높은 생체적합성 및 생분해성: 히알루론산 기반으로 생체에 안전하며, 생체 내에서 4주 이내에 원래 부피의 40%로 자연 분해됩니다.

• 뛰어난 전기적 특성: 10Hz의 낮은 주파수에서도 5kΩ의 낮은 임피던스를 가져 미세한 생체 신호 계측에 유리합니다. 또한 100% 신축에도 저항 변화가 안정적입니다.

• MRI 촬영 가능: 금속 및 무기물이 없어 자기공명영상(MRI) 촬영 시 이미지 왜곡(인공물)이 발생하지 않습니다.

• 주사주입을 통한 간편한 시술: 정밀한 농도 조정을 통해 주사 주입에 적합한 점탄성을 확보하여, 최소 침습적 방법으로 전극을 형성할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 개발된 주사주입형 전도성 하이드로젤의 화학적 구조와 전기적 특성을 분석하고, 실제 생체 환경에서의 적용 가능성과 안정성을 검증하는 것을 목표로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 농도별 하이드로젤 제작: HATYR/PEDOT:PSS 혼합물의 비율을 0.5wt%, 1wt%, 2wt%, 3wt%로 각각 다르게 하여 하이드로젤 샘플들을 제작하였습니다.

2. 구조 및 전기적 특성 분석: 제작된 하이드로젤에 대해 핵자기공명(NMR) 분광, 자외선-가시광선(UV-vis) 분광 분석을 통해 화학적 구조를 확인하고, 반복적인 신축에 따른 저항 변화를 측정하여 전기적 안정성을 평가하였습니다.

3. 뇌 피질 전도 인터페이스 제작 및 적용: 제작된 하이드로젤을 PVDF-HFP 기판 위에 토출하여 전극 어레이를 만들고, 이를 실험용 쥐의 뇌 표면에 삽입하여 외부 자극에 따른 뇌파 신호를 계측하였습니다. 또한, 인터페이스가 삽입된 쥐를 대상으로 MRI 촬영을 진행하였습니다.

실험 결과

HATYR/PEDOT:PSS의 농도에 따른 분석 결과, 0.5wt% 농도에서 주사기를 통해 가장 안정적으로 방출되어 실용적인 주사주입형 하이드로젤을 형성할 수 있음을 확인했습니다. 농도가 높아질수록 점탄성이 증가하여 주사 주입이 어려워지는 경향을 보였습니다.

또한, 제작된 뇌피질뇌파 인터페이스를 울퉁불퉁한 표면에 부착했을 때도 밀착이 잘 유지되었으며, 다양한 주파수에서 임피던스 결과의 변화가 거의 없어 안정적인 뇌 신호 계측이 가능함을 확인했습니다. 특히, 쥐의 뇌 표면에 인터페이스를 삽입하고 자기공명영상을 촬영한 결과, 기존 금속 기반 인터페이스와 달리 인공물이 전혀 발생하지 않아 MRI 환경과의 뛰어난 호환성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 뇌피질전도 인터페이스(BCI) 전극: 파킨슨병, 뇌전증 등 신경 질환의 진단 및 모니터링, 치료를 위한 차세대 뇌신경 인터페이스의 핵심 전극 소재로 활용될 수 있습니다.

• 이식형 바이오 전자기기: 심전도(ECG), 근전도(EMG) 등 다양한 생체 신호를 감지하거나 인체 장기에 전기 자극을 전달하는 유연한 이식형 소자에 적용 가능합니다.

• 재생 의학 및 조직 공학: 약물 전달 시스템, 인공 조직 지지체(scaffold) 등 다양한 의료 분야에서 응용될 수 있습니다.

기대효과

• 의료 기술 혁신: 기존 금속 전극의 한계(기계적 부조화, MRI 비호환성)를 극복하여 보다 안전하고 정확한 뇌 질환 진단 및 치료의 길을 열 수 있습니다.

• 환자 편의성 증대: 최소 침습적인 주사 방식으로 시술이 가능하여 환자의 부담을 줄이고 회복 시간을 단축시킬 수 있습니다.

• 신시장 창출: 빠르게 성장하는 전자약 및 뇌-컴퓨터 인터페이스 시장에서 핵심 소재 기술로 자리매김하여 새로운 부가가치를 창출할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 적용될 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), 전도성 하이드로젤 및 관련 의료기기 시장은 빠른 성장세를 보이고 있습니다. 특히 신경 질환 유병률 증가와 기술 발전이 맞물려 시장 확대가 가속화되고 있습니다.

• 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 시장: 글로벌 시장 규모는 2024년 23억 달러에서 연평균 10.29% 성장하여 2030년에는 80억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처, 출처)

• 전도성 하이드로젤 관련 시장: 전자피부(E-skin) 시장은 2027년까지 연평균 20.5%, 고분자 젤 시장은 2024년까지 연평균 6% 이상의 성장이 예상됩니다. (출처, 출처)

• 신경조절장치 시장: 뇌 신경 자극 치료 시장은 2026년까지 209.4억 달러 규모로 성장할 것으로 추정됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

BCI 시장은 기술 방식에 따라 침습적 방식과 비침습적 방식으로 나뉘며, 글로벌 빅테크 기업부터 전문 스타트업까지 다양한 플레이어들이 기술 개발 경쟁을 벌이고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 인구 고령화 및 신경 질환 증가: 전 세계적인 고령화 추세와 함께 뇌졸중, 파킨슨병 등 관련 환자가 증가하면서 진단 및 치료 기술에 대한 의료적 수요가 급증하고 있습니다.

2. 기술 발전과 융합: AI, 머신러닝, 나노 기술 등이 신경과학과 융합되면서 BCI 기술의 정밀도와 활용성이 크게 향상되고 있습니다.

3. 정부 및 민간 투자 확대: 미래 핵심 기술로서 BCI의 중요성이 부각되면서 각국 정부의 연구개발 지원과 민간 기업의 투자가 활발하게 이루어지고 있습니다.